NEWS
03
2026-06
MEMS流量传感器的设计和应用
MEMS流动传感器简介
流量传感器用于测量各种应用中液体和气体的流量和方向，包括确定流动模式、测量壁面剪切应力、粘度和密度。在过去的几十年中，人们开发了多种类型的传感装置，并已实现商业化，用于流量测量。众所周知，所测量的流量可能受到速度、压力、温度或系统化学成分的影响。因此，流量传感装置通常基于通过测量各种物理变量来直接检测体积、质量、速度或其组合。
在过去的几十年中，微电机电系统技术为开发各种应用的流动传感器开辟了新的途径。MEMS设备首先是在1960年代提出的。自1980年代以来，该领域的研究与发展逐渐扩大。
MEMS设备提供的特性，例如使用传统工程方法无法实现的小尺寸，低成本和可扩展设备。
图1 MEMS流量传感器
最近，微型制造技术已被广泛用于制造MEMS传感器，在医疗保健，体育活动，安全性和环境传感器等领域广泛应用。MEMS流动传感器微型化设备可以实现高分辨率（每分钟最高至纳米），并且与传统的传感设备相比提供低成本替代方案。基于这些优势，MEMS流动传感器在各种应用中被广泛使用，例如自动水下车辆，生物医学手术，诊断设备，化学和治疗领域，液体分配系统和加油系统的流动测量。
MEMS热流传感器
通过加热元件和温度传感器来测量流体带走的热量，从而推算出流体的流速。当流体流过传感器时，会带走一部分热量，导致温度分布发生变化。通过测量温度变化可以推算出流体的流速。该原理在低输出信号漂移的情况下具有高灵敏度和准确性。此外，此类传感器具有能够感知而无需任何机械移动的微型组件的优点。通常，热流传感器由两个基本部分组成，即加热器和传感元器件。
有三种类型的热流传感器：第一种类型是热线和热膜（H型）传感器，它们通过恒定温度的变化来测量流量，或者以恒定的加热能力变化。它们之间的差异是由于结构设计：在热线传感器中，金属电阻器不含基板并放置在流动中，而在热膜传感器中，电阻器沉积在放置在与流量相邻的膜上。第二种类型是量热（C型）传感器，通过评估加热器周围的热轮廓变化来评估流量。第三种类型是飞行时间传感器，它使用与加热器定义距离的热脉冲的检测来评估流量。Shaun等人报道了硅基芯片上的柱状微结构，具有低热导率和高灵敏度。
图2 MEMS热流传感器。(A)基本的热质量流量计的组件，包括两个温度传感器和一个加热器。(B)可植入导管流动传感器的透视图，能够通过其腿锚定在动物支气管内部的能力。(C)热电气流传感器的示意图横截面视图（不缩放）。(D)与放置在管中的金属手指头集成的量热气流传感器芯片的示意图。
MEMS压阻式流量传感器
压电材料是在受外部压力或应变时表现出电阻率变化的材料。应用应变会改变材料的内部原子和晶格位置，从而改变其电阻率。压电材料已被广泛用于流动传感器的开发。压电材料响应施加压力而改变阻力的能力使它们有吸引力用于流动感应。在流动传感器配置中，电阻的变化可以转换为电压，该电压随流速而变化。过去，研究了压电流传感器，用于在各种应用中使用，包括空气流量监测和水流监测。大多数报道的压电传感器都可以分为悬臂或隔膜结构。
开发的第一种MEMS压电传感器是基于悬臂的结构，主要是由硅制成的，该结构是通过硅制成的。基于膜片的压阻式传感器的广泛应用是通过从内耳和外耳毛细胞等生物流动传感器以及盲洞鱼的侧线的灵感来发明的，这些传感器大大改善了传统流动传感器的性能。
图3 MEMS压阻式流量传感器。(A)具有独立式微悬臂梁结构的MEMS流量传感器的基本结构。(B)气体流量传感器的示意图（上图）及其传感操作图（下图）。(C)由倒梯形膜阵列形成的悬臂式水传感器的示意图和详细视图。(D)基于SOI的压阻式流量传感器组件的示意图。
MEMS压电流量传感器
压电性是一些天然和合成的电介质材料所表现出的性质，当它们受到机械载荷时，（直接压电效应），并且相反地，当受到外部电场时遭受几何或尺寸变化（匡威压电效应），在多晶铁电陶瓷如锆钛酸铅（PZT）中可以观察到显著的压电效应或钛酸钡（BaTiO 3）和聚合物如聚偏氟乙烯（PVDF），它们在实际应用中使用最广泛。压电流量传感器是自供电的，因此不需要电源来获得传感器输出。MEMS压电流量传感器主要采用两种主要材料：锆钛酸铅（PZT）和聚偏二氟乙烯（PVDF）。
图3 MEMS压电流量传感器。(A)MEMS微悬臂梁压电流量传感器的基本结构；(B)束毛细胞传感器的流量传感机制的示意图；(C)及其设计由不同高度的纤毛组成，这些纤毛通过PVDF尖端链接彼此连接并由HA-MA水凝胶封装。
商业化途径和挑战
MEMS流量传感器具有广泛的应用范围，从工业气体流量监测、环境流量传感、海洋水动力传感和生物医学流量传感应用。MEMS流量传感器的小尺寸、低成本、高灵敏度和批量制造兼容性使其对于工业和商业应用非常有吸引力。此外，一些软聚合物MEMS传感器是生物相容的，为生物医学和临床应用的商业化开辟了道路。
在临床呼吸流量感测应用中，例如睡眠呼吸暂停诊断设备、呼吸机、雾化器和氧气供应系统中，对MEMS流量传感器存在巨大的需求。在运动表现监测和康复监测也需要具有能够测量流速和流量的嵌入式MEMS流量传感器的可穿戴呼吸监测器。MEMS传感器还将在静脉内输注中的流速监测中发挥典型作用，以允许在基于重力的输注中精确的药物输送，并避免可能由输注泵故障引起的意外错误剂量。
MEMS流量传感器凭借其独特的优势，在各个领域都有着广泛的应用前景。随着技术的不断发展，MEMS流量传感器将会变得更加小巧、智能、高效，并为各行各业带来更多便利和创新。
其他前沿技术
联系我们
扫码加微信咨询